一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法。本发明的量子阱红外探测器的多量子阱为包含多个周期的复合势垒和势阱，其中，复合势垒为包括平带势垒和尖峰势垒的双层结构；通过极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒以上的能级相互耦合形成准连续态，进而形成光电流的通路；通过增加平带势垒的厚度，可以在光电流信号强度基本不变的情况下，抑制暗电流的背景噪声，进而提高信噪比。本发明利用低温精细外延设备控制有源区界面以及各层厚度，可以获得高质量的外延晶片；多量子阱采用III族氮化物材料，可以实现全红外光谱窗口的光子探测；本发明的探测器在液氦温区成功探测到光电流信号，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外探测器技术，尤其涉及一种基于氮化物半导体的复合势垒量子阱 红外探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 量子阱红外探测器是利用半导体多量子阱或者超晶格材料的子带间跃迁制成的 探测器。具有响应速度快、稳定性好、抗辐射和易于制作大面积焦平面阵列等优点。传统的 量子阱红外探测器及其大规模阵列已经在第一代半导体（Si、Ge)以及第二代半导体（III 族砷化物半导体）中实现，在精确制导、红外成像、热成像等军用和民用领域具有极其广泛 的应用。但由于其禁带宽度覆盖范围的限制，现有的量子阱红外探测器只能满足波长大于 2. 3 ii m红外波段的探测，无法应用于光通信（1. 3 ii m或1. 55 ii m)领域。
[0003] III族氮化物材料属于第三代半导体材料，以GaN、AIN、InN二元合金，InGaN、 AlGaN、InAlN三元合金以及InAlGaN四元合金为主要成员。其禁带宽度在0. 7eV-6. 2eV范 围连续可调，并且具有极高的击穿电场、高电子饱和迁移速度、高热导率、更强的抗辐射能 力以及更短的弛豫时间（飞秒量级）。氮化物材料制备的量子阱红外探测器，可以实现从 lum到亚毫米波（THz)波段的全红外光谱探测，并将传统的量子阱红外探测器的响应时间 进一步提高两个数量级，在超快光通信和光调制领域有广阔的应用前景。氮化物具有紫外 扩展特性，可用于制备单片多色集成的探测器，实现超低虚警率、超快响应时间、更小元器 件体积以及更高分辨率红外成像。
[0004] 由于氮化物同质衬底制备困难，现阶段大面积同质外延生长氮化物成本极高。 因此，目前制备氮化物材料主要是利用分子束外延（MBE)和金属有机物化学气相沉积 (M0CVD)等手段，在蓝宝石、碳化硅以及单晶硅等衬底上进行异质外延生长。由于外延膜 与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，异质外延制备的氮化物材料晶体质量较差，位 错密度可达10 7-109cnT2,形成了高密度的暗电流通道，在液氦温区下暗电流密度通常达到 A ? cnT2的量级，远远大于光电流密度，不利于探测器提取光电流信号。同时，氮化物材料体 系固有的自发极化和压电极化诱导的内建电场（极化场）使得导带边倾斜，形成三角形势 垒，不利于光电流信号的提取。
【发明内容】
[0005] 针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种氮化物复合势垒的结构，通过 极化调制的方法形成平带势垒，从而实现氮化物的束缚态-准连续态子带间跃迁的量子阱 红外探测器，既有利于抑制暗电流的背景噪声，又有利于光电流信号的提取。
[0006] 本发明的一个目的在于提供一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器。
[0007] 本发明的氮化物复合势垒量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、 多量子阱、顶电极接触层、底电极、顶电极和钝化层；其中，在衬底上生长缓冲层；在缓冲层 上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为多量子阱、顶电极接触层和顶电 极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在多量子阱、顶电极接触层和顶电极的侧面覆 盖有钝化层，以及在底电极的侧面覆盖有钝化层；多量子阱为包含多个周期的复合势垒和 势阱，其中，复合势垒为包括平带势垒和尖峰势垒的双层结构。
[0008] 本发明的多量子阱为包含多个周期的复合势垒和势阱；其中，复合势垒为双层结 构，包括一个较厚的平带势垒和一个超薄的尖峰势垒。平带势垒的厚度在10?40nm之间， 尖峰势垒的厚度在1?5nm之间。传统的氮化物量子阱红外探测器的多量子阱包括多个周 期的势阱和一定厚度的单层势垒，单层势垒的导带边形状为三角形，不利于载流子纵向输 运。相比于传统单层势垒的多量子阱结构，复合势垒的多量子阱可以实现束缚态-准连续 态的子带间跃迁，更有利于光电流信号的提取；同时，复合势垒的多量子阱结构，可以通过 在一定范围内增加平带势垒的厚度，同时保持尖峰势垒的厚度不变，在光电流信号强度不 变的情况下，极大程度的抑制暗电流的背景噪声，提高信噪比。多量子阱的材料采用III族 氮化物。
[0009] 本发明基于极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒的导带边水平，在平带势垒 的区域，极化电荷产生的极化电场相互抵消。通过能带理论模拟计算，对多量子阱的平带势 垒、尖峰势垒以及势阱的材料和厚度进行模拟和优化，使极化电荷在平带势垒的区域产生 的极化电场相互抵消，即平带势垒的区域的极化电场为零，实现平带势垒的导带边水平。通 过极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒以上的能级相互耦合形成准连续态，进而形成 极便于纵向输运的光电流的通路。
[0010] 其中，本发明的缓冲层介于衬底和底电极接触层之间，其结构是周期性的氮化物 超晶格，其作用是缓解多量子阱的应变状态，阻断衬底的部分位错继续向上延伸，进而提高 材料的外延生长质量。在异质外延情况下，由于晶格常数不匹配，多量子阱通常处于一定的 张应变或压应变状态下，通过引入缓冲层，可以有效调节应力分布，释放晶格应变。
[0011] 本发明的另一个目的在于提供一种复合势垒量子阱红外探测器的制备方法。
[0012] 本发明的复合势垒量子阱红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0013] 1)根据实际需要，通过能带理论模拟计算，对量子阱红外探测器的结构进行模拟 和优化，从而得到优化参数；
[0014] 2)对衬底进行预处理，使其可以直接用于外延生长；
[0015] 3)利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在衬底上进行外延生长， 包括在衬底上依次生长：缓冲层、底电极接触层、作为有源区的多量子阱和顶电极接触层， 得到外延晶片；
[0016] 4)利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况的性能进行 表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到 获得符合要求的外延晶片，进入步骤5);
[0017] 5)测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围，如果光响应波段不符合实际 需要，则返回步骤1)重新制备，直到光响应波段符合实际需要，进入步骤6);
[0018] 6)制备探测器单元，包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化等步 骤；
[0019] 7)对探测器单元进行封装；
[0020] 8)测试探测器的光电流谱，获取探测器的性能信息。
[0021] 其中，在步骤1)中，根据探测范围的需要，采用薛定谔方程和泊松方程迭代数值 求解的方法进行模拟计算；计算的优化参数包括：多量子阱的平带势垒、尖峰势垒、势阱的 材料、厚度和周期数；底电极接触层材料和厚度；以及顶电极接触层的材料和厚度。其中， 平带势垒的形成是基于极化调制的方法，通过能带理论模拟计算，对多量子阱结构的平带 势垒、尖峰势垒、势阱的材料和厚度进行模拟和优化，使极化电荷在平带势垒区域产生的极 化电场相互抵消，实现平带势垒导带边水平。优化参数确保第一子带有足够载流子占据，从 而确保平带势垒区域的导带边水平。
[0022] 在步骤2)对衬底的预处理包括：①通过化学腐蚀和清洗，除去衬底的表面的氧化 层和有机物；②在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面的杂质原子；③采用氢 化物气相外延HVPE或者M0CVD方法在衬底上生长一层模板材料，模板材料一般为氮化物厚 膜。
[0023] 步骤3)中，采用精细外延设备（如分子束外延MBE)进行制备，获得有源区的界面 锐利度更高。具体包括以下步骤：①生长周期性的氮化物超晶格作为缓冲层，从而起到应 力调控，释放晶格应变的作用；②生长底电极接触层，生长时应进行n型掺杂以降低接触电 阻，考虑到台面刻蚀容差，厚度应不小于200nm ;③按步骤1)中模拟计算得到的优化参数生 长多量子阱；④生长顶电极接触层，为确保顶电极接触层和底电极接触层的功函数一致，一 般顶电极接触层采用与底电极接触层相同的材料和掺杂浓度。
[0024] 步骤4)中，采用X射线衍射摇摆曲线半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的螺 型分量和刃型分量的大小，采用高精度X射线衍射相分析以及高精度透射电子显微镜来表 征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜表征材料表面的粗糙度RMS ;材料表面的粗 糙度RMS小于lnm，摇摆曲线半高宽FWHM(002)面小于200arcsec、（102)面小于600arcsec， 衍射卫星峰级次大于8,界面无互扩散作用，以及表面原子台阶清晰的样品较为合适。
[0025] 步骤5)中，根据子带间跃迁原理，探测器只对电矢量在多量子阱的界面法线方向 有分量的偏振光（P偏振光）有响应，因此应将外延晶片两端面进行45°抛光，以形成波导 结构；或者米用表面光栅的方法增加电矢量的纵向分量，s偏振光作为背景光，p偏振光作 为信号光，利用公式（1)得到光吸收谱。
【权利要求】
1. 一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器包括： 衬底、缓冲层、底电极接触层、多量子阱、顶电极接触层、底电极、顶电极和钝化层；其中，在 衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为多 量子阱、顶电极接触层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在多量子阱、顶电 极接触层和顶电极的侧面覆盖有钝化层，以及在底电极的侧面覆盖有钝化层；多量子阱包 含多个周期的复合势垒和势阱，其中，复合势垒为包括平带势垒和尖峰势垒的双层结构。
2. 如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述平带势垒的厚度在10? 40nm之间，尖峰势鱼的厚度在1?5nm之间。
3. 如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，通过极化调制的方法形成平 带势鱼，平带势鱼的导带边水平，在平带势鱼的区域，极化电荷产生的极化电场相互抵消。
4. 一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据实际需要，通过能带理论模拟计算，对量子阱红外探测器的结构进行模拟和优 化，从而得到优化参数； 2) 对衬底进行预处理，使其能够直接用于外延生长； 3) 利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在衬底上进行外延生长，包括 在衬底上依次生长：缓冲层、底电极接触层、作为有源区的多量子阱和顶电极接触层，得到 外延晶片； 4) 利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况的性能进行表征 反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得 符合要求的外延晶片，进入步骤5); 5) 测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围，如果光响应波段不符合实际需要， 则返回步骤1)重新制备，直到光响应波段符合实际需要，进入步骤6); 6) 制备探测器单元，包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化； 7) 对探测器单元进行封装； 8) 测试探测器的光电流谱，获取探测器的性能信息。
5. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，根据探测范围的需要，采 用薛定谔方程和泊松方程迭代数值求解的方法进行模拟计算；计算的优化参数包括：多量 子阱的平带势垒、尖峰势垒、势阱的材料、厚度和周期数；底电极接触层材料和厚度；以及 顶电极接触层的材料和厚度。
6. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，基于极化调制的方法，通过能带理论模 拟计算，对多量子阱结构的平带势垒、尖峰势垒、势阱的材料和厚度，进行模拟和优化，使极 化电荷在平带势垒区域产生的极化电场相互抵消，实现平带势垒导带边水平。
7. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，对衬底的预处理包括：① 通过化学腐蚀和清洗，除去衬底的表面的氧化层和有机物；②在外延设备腔体中对衬底进 行高温烘烤，除去表面的杂质原子；③在衬底上生长一层模板材料，模板材料为氮化物。
8. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，采用X射线衍射摇摆曲线 半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的螺型分量和刃型分量的大小，采用高精度X射线 衍射相分析以及高精度透射电子显微镜来表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜 表征材料表面的粗糙度RMS;要求达到材料表面的粗糙度RMS小于lnm，摇摆曲线半高宽 FWHM(002)面小于200arcsec、（102)面小于600arcsec，衍射卫星峰级次大于8,界面无互 扩散作用，以及表面原子台阶清晰。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，利用s偏振光作为背景 光，P偏振光作为信号光，利用公式
：得到吸收系数谱，其中，a为吸收系数，Tp 为P偏振光透射光强，Ts为s偏振光透射光强。
【文档编号】H01L31/111GK104409556SQ201410738690
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】王新强, 荣新, 沈波, 陈广, 郑显通, 王平, 许福军, 张国义 申请人:北京大学